浅谈电气设计的节能
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【摘要】 节能减排已成为全球的共同认知，国家也确定了建设资源节约型社会和环境友好型社会的目标，建筑电气节能已成为时代的呼唤，由其所带来的节能效果必将长期为社会认同。
【中图分类号】 TU201.5【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2012）03-070-02
随着我国经济的发展，能源被提到了越来越重要的地位，我国是个能源消耗大国，能源相对短缺，然而能源消费却越来越严重，因此节能问题一直是我国发展经济的长远战略方针。建筑电气节能可分为狭义型和广义型、直接型和间接型。狭义型、直接型节能就是利用新技术、新设备进行的产品节能；广义型、间接型节能就是通过科学管理进行的系统节能。由此可见，如何将节能型产品、节能型系统应用到工程项目中，已成为时代赋予建筑电气设计的历史使命。自我国加入世贸组织以后，给电气节能设计提出了新的挑战，这是因为国外的电气设计都是以节能环保为基础，如果我们设计出来的电气产品无法达到节能环保的要求，其市场竞争力必然会受到影响，久而久之将会被市场所淘汰。由于电气节能涉及的范围较广，从电网到用户都应时刻本着节能降耗的理念进行使用，就设计人员而言，应尽可能以节能型设备作为设计首选，并精心设计电气节能方案，使用先进的节能技术，以此来降低电气设备能耗。对于每一名优秀的建筑电气设计者来说，在为人们提供优质、舒适、健康的居住环境的同时，要始终将节能降耗放在首位。所以我们在在设计时应遵循节能的原则，那就是建设节约型社会，现从照明节能、供配电系统、变压器选择、减少线路损耗功率因素等节能方面进行了简述，以供参考。
1遵循节能的原则
1.1适用性。就是基于满足在建筑物内创造良好人工环境提供必要的能源，为建筑设备运行提供必需的动力，按照用电设备对于负荷容量、电能质量与供电可靠性等方面的要求， 来优化供配电设计，促进电能合理利用。
1.2实际性。要充分考虑实际经济效益，合理选用节能设备及材料，使节能增加的投资能在较短的时间内用节能减少下来的运行费用收回。
1.3节能性。应考虑采取措施减少或消除与发挥建筑物功能无关的消耗，比如电气设备自身的电能消耗，传输线路上的电能消耗等等，这应该是节能的着眼点。
2照明系统节能
照明节能设计就是在不降低作业面视觉要求，不降低照明质量的前提下，力求减少照明系统中电能的损失，从而最大限度地利用光能。
采用符合要求的照度标准：各类建筑按照《建筑照明设计标准》要求选择合理的照度标准，同时对要求照度较高的场所尽量采用混合照明方式，突出重点部分。主要从以下几方面着手：
2.1照明光源选用。合理选择灯具的配光， 以提高利用系数。照明设计规范规定了各种场所的照度标准、 视觉要求、照明功率密度等等；照度标准是不能随意降低的，也不能随意提高，要有效地控制单位面积灯具安装功率，在满足照明质量的前提下，应在不同的使用场合，尽可能选择高光效的光源。为充分利用光源发出的光通量，在灯具选用时应注意选用配光合理、效率高、利用系数高的灯具，优先选用开启式直接照明灯具，并选择电子镇流器或节能型高功率因数电感镇流器以提高功率因数。 一般房间（如办公室、教室、会议室、商店等）应优先采用三基色T8、T5 细管径直管荧光灯。这是由于T8 或T5 灯管具有较高的显色指数和光效，寿命长， 符合节能、环保要求。门厅、走廊等场所采用紧凑型荧光灯（如“H” 型、“U”型、“D” 型等） 替代普通的白炽灯，达到节约能源的目的。高大的车间、厂房及体育馆的照明采用高压钠灯、金属卤化物灯等高效气体放电光源。
下面对荧光灯和白炽灯进行比较：通常在照明设计时，应逐个房间按使用条件确定照度标准。其公式为：E=N￠UK/A 它与光源数量、光通量、利用系数、维护系数成正比，与房间的面积成反比。如一个办公室面积为27m2，根据建筑照明设计规范要求普通办公室照度要求值为：3001x，照明功率密度不超过11W/m2。
2.2改进灯具控制方式。采用各种节能型开关或装置也是一种行之有效的节电方法。根据照明使用特点可采取分区控制灯光或适当增加照明开关点。还可以利用智能建筑控制系统，根据同一区域不同用途的需要，对灯具进行合理的、人性化的控制。在需要时自动开启，实现节能。照明控制系统分两大类：手动控制和自动控制。手动控制是指按照使用者的个人意愿来控制所属区域的照度水平。在照明开关应用中，我们应注意：⑴居住建筑有天然采光的楼梯间、走道的照明，除应急照明外，宜采用节能自熄开关；⑵每个照明开关所控光源数不宜太多。每个房间灯的开关数不宜少于2个（只设置一只光源的除外）。但手动控制最不利的一点是：当人们意识到自然光线不足时会开灯，但当天然光又恢复充足时没有什么因素促使他们把灯关掉。而且工作结束后如果灯还开着，这将浪费大量的电能。与传统的照明控制方式相比，近年来逐步发展起来的智能化照明控制系统体现出了强大的优越性。目前智能照明控制系统多数采用现场总线技术，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。只有当必需时才把灯点亮或点到要求的亮度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显。
2.3充分利用自然光。照明的最佳光源是阳光。太阳光是免费的，不需电力，也不造成污染。在写字楼里，如果在设计时能在大楼内部引入自然光线，员工会情绪更好，效率更高。在医院里，住在靠近窗户附近的病人康复得更快。现在有些窗户可以对光谱进行选择，引入日光的同时还可保持舒适。有一些创新的技术如侧窗、天窗、光栅板和光线管道等，可将日光引入大楼内部。在灯具布置时，将所控灯列与侧窗平行，跟据日照强弱来进行灯具控制也是照明节能的有效手段。
3合理设计供配电系统及线路
根据用户的重要性、负荷性质、用电容量、工程特点、系统规模，合理设计供配电系统，使系统在最佳状态下运行。
3.1根据用电负荷的容量及分布，使变、配电所靠近负荷中心，以缩短低压供电半径，降低线路损耗，减少电压损失，满足供电质量要求。供配电线路长度不宜超过250m。
3.2供配电系统应简单可靠，配电级数不宜过多，同一用户内，高压配电级数不宜多于两级；变压器二次侧至用电设备间的低压配电级数不宜超过三级，尽量减少电能损耗。由两路进线供电的系统，宜采用两路电源同时运行的方式，以减少正常运行时的线路损耗。
3.3合理选择供电电压。同等情况下，电压越高，损耗越小。供电电压等级的确定应考虑技术经济合理性及电力公司的相关规定等因素。当用电设备总容量在250kW及以上或变压器容量在160kVA及以上时，宜以10（6）kV供电。对大型公共建筑的空调冷水机组，考虑节能因素，经方案比较尽量采用10（6）kV冷水机组，但应考虑大容量电动机启动时对变压器的影响。
由于线路上存在电阻，有电流流过，就会产生有功功率损耗。线路上的电流是不变的，要减少线路损耗，只有减少线路电阻。线路电阻公式如下：R=ρ×L/S，即线路电阻与电导率 ρ、线路长度成正比，与线路截面成反比。在一个工程中由于线路上下左右纵横交错，一般工程线路总长不下万米，大工程更是不计其数，所以线路上的有功损耗是相当可观的，减少线路损耗必须引起电气设计重视。从以下几方面着手：⑴应选用电导率较小的材质做导线。铜芯最佳，铝芯次之；⑵减小导线长度。首先线路尽量走直线，少走弯路，以减少导线长度；其次，低压线路应不走或少走回头线，以减少来回线路的电能损失；变压器尽量接近负荷中心，以减少供电距离；⑶增大导线截面。对于比较长的线路，除满足载流量、热稳定、保护的配合及电压损失所选定的截面外，可适当加大一级导线截面，这样可以延长导线的使用寿命，减少线路损耗，减少火灾危险，而且提高了供电质量，并为今后负荷的发展留有余地。
4变压器的节能
合理选择变压器的容量和台数。如一般的住宅小区，刚开始时入住率很低，慢慢升高，但是很难100%，设计计算时是按小区的住户数量来选取需用系数的，这就造成需用系数实际值比计算值要低，实际使用变压器负载率为50～60%左右。所以在配电系统设计时，应考虑由节假日或周期性、季节性轻负荷时，将一台变压器退出运行并把所带负荷切换到另外一台变压器上，实现经济运行减少由于轻载运行造成的不必要电能损耗。
变压器的有功损耗包括空载损耗和负载损耗，即公式为：
式中： ΔPb——变压器的有功损耗
Po——变压器的空载损耗
Pk——变压器的负载损耗
β——变压器的负载率
Po为空载损耗又称铁损，它是由铁芯涡流损耗及漏磁损耗组成，是固定不变的部分， 它的大小取决于硅钢片的性能和铁芯的制造工艺，与负荷的大小无关。在设计时应选用节能型的，如S9、S11、SC8、SC9 等油浸式变压器及干式变压器。
Pk为传输功率的损耗，即变压器的铜损，它决定于变压器绕组的电阻及流过绕组电流的大小，并与负载率β的平方成正比。因此，应选用阻值较小的绕组，可采用铜芯变压器。
β为负载率，即负荷电流与额定电流比值。《民用建筑电气设计规范》规定变压器长期工作的负载率不宜大于85%。所以，在选择变压器的容量和台数时，应根据负荷情况，综合考虑投资和年运行费用，对负荷合理分配，选取容量与电力负荷相适应的变压器，使其工作在高效低耗区间。
现代民用建筑中有季节性负荷。即冬天取暖，夏天空调制冷用电量大。因此，在设计中应采用专用变压器供季节性负荷。
5提高功率因数
功率因数提高了可以减少线路无功功率损耗，提高设备利用率，从而达到节能目的。一般用电单位中，大量的用电设备是异步电动机、电力变压器、线路、照明等，前两项用电设备消耗的无功功率比较大，所以设计中应正确选择电动机和变压器的容量，减少线路感抗。在生产工艺允许的条件下，采用同步电动机代替异步电动机；荧光灯可采用高次谐波系数低于15%的电子镇流器；采用电感镇流器的气体放电灯，单灯安装电容器等；选择电动机的经常负荷不低于额定容量的40%；变压器负载率宜在75～85%之间，不低于60%。提高功率因数具体方法有如下：
5.1提高自然功率因数。⑴正确设计和选用变流装置，对直流设备的供电和励磁，应采用硅整流或晶闸管整流装置，取代变流机组、汞弧整流器等直流电源设备；⑵限制电动机和电焊机的空载运转，设计中对空载率大于50%的电动机和电焊机， 可安装空载断电装置；对大、中型连续运行的胶带运输系统，可采用空载自停控制装置；对大型非连续运转的异步笼型风机、泵类电动机，宜采用电动调节风量、流量的自动控制方式， 以节省电能；⑶条件允许时，采用功率因数较高的等容量同步电动机代替异步电动机，在经济合算的前提下，也可采用异步电机同步化运行。
5.2采用人工补偿无功功率。人工补偿无功功率，经常采用两种方法：⑴同步电动机超前运行；⑵采用电容器补偿。同步电动机价格贵，操作控制复杂，本身损耗也较大，同时操作工人担心励磁绕组发热会增加维修工作量，经常将设计中的超前运行作滞后运行，丧失了采用同步电动机的优点。因此，通过技术经济比较，确认采用同步电动机作为无功补偿装置合理时，才可采用同步电动机作为无功补偿装置。采用并联电容器补偿，为了减少线损和电压损失，宜就地平衡补偿，即低压部分的无功功率宜低压电容器补偿，高压部分的无功补偿宜由高压电容器补偿。这是目前工业与民用建筑中常采用的人工补偿方法。
6建筑电气新技术的应用
为解决传统节能技术能源浪费大的问题，新一代建筑电气技术正在试图采用各种先进的控制方式对传统建筑电气设备进行有效的控制。
另外，通过中控电脑则可监视和控制整个建筑的灯光、遮阳及空调设备，同时可以看到各区域、各房间的实际温度，并可设定各房间可调节温度的上下限；通过定时则可对定时上下班场所的灯光、空调、窗帘等进行定时控制，所有这些措施都可以达到节能的目的，有效地降低建筑电气的能耗。
民用建筑的节能潜力很大，建筑电气设计应充分考虑选择高效率的节能设备，应用先进的设计技术，按照节能标准进行设计，为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动空间。
7结语
总之，节约电能在民用建筑工程电气设计的每个环节都有相应的技术措施，广大电气设计人员在设计中应精心考虑。在选择新型电子产品及设备时要充分了解其原理、性能、并进行方案比较，拿出一套符合各种技术指标，行之有效而又切实可行的节能措施，从而达到真正节约电能的目的。
参考文献
1低压配电设计规范，GB50054-2011
2住宅设计规范，GB50096-2011
3供配电系统设计规范，GB50052-2009
4建筑照明设计规范，GB50034-2004
5民用建筑电气设计规范，JGJ/16-2008